Development of a modeling and optimization tool for twin-rotor wind turbines : application to comparison with conventional wind turbines
Développement d’un outil de modélisation et d’optimisation pour les éoliennes à double rotor : application à la comparaison avec l’éolien classique
Résumé
The production of energy with low greenhouse gas emissions is a major objective of global sustainabledevelopment. One of the promising technologies for achieving this is wind power. The work presented in this manuscript concerns the study of an innovative horizontal-axis wind turbine system with two successive rows of rotors. The main objective is to compare multi-rotor technology with "conventional" wind turbine technology, in order to establish the advantages and disadvantages of each in a given use case. Dual-rotor wind turbines can have the rotors turning in opposite directions (contra-rotating) or in the same direction (co-rotating), which influences the performance obtained.To make this comparison, modeling and optimization tools were developed to compare the technologies as broadly as possible, without any preconceived ideas about the parameters to be set. Following a literature review, the comparison criteria selected were AEP (Annual Energy Production) and turbine mass. The modeling is based on a faithful, fast-resolving aerodynamic model, based on BEM (Blade Element Momentum) theory adapted for two rotors. This aerodynamic model interacts with mechanical, electromechanical and component weight models to describe the behavior of each technology. The models are coupled with a control strategy to provide performance values for thewind turbines modeled in this way. To find instances of each wind turbine technology for comparison, single-objective optimization algorithms (PSO) or unweighted multi-objective optimization algorithms (NSGA-II) were used. The models were validated by comparison with data from the literature and specialized software (Qblade and HELICIEL), and the comparison between technologies was carried out on a case study including a specific statistical wind distribution.
La production d'énergie avec de faibles émissions de gaz à effet de serre est un objectif majeur dedéveloppement durable mondial. Une des technologies prometteuses pour y parvenir est l'énergie éolienne. Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur l'étude d'un système éolien à axe horizontal innovant avec deux rangées de rotors successives. L'objectif principal poursuivi est de comparer les technologies issues du multi-rotor et la technologie d'éolienne "classique" afin d'établir les avantages et inconvénients d'utilisation de chacune dans un cas d'usage donné. Les éoliennes à double rotor peuvent voir ces derniers tourner en sens opposés (contra-rotatif) ou dans le même sens (co-rotatif), ce qui influence les performances obtenues.Pour effectuer cette comparaison, des outils de modélisation et d'optimisation ont été développés afin de comparer les technologies le plus largement possible sans a priori sur les paramètres à fixer. Après une analyse de la littérature, les critères de comparaison sélectionnés ont été l'AEP (Annual Energy Production) et la masse de l'éolienne. En ce qui concerne la modélisation, cette dernière s'appuie sur un modèle aérodynamique fidèle et de résolution rapide, basé sur la théorie BEM (Blade Element Momentum) adaptée pour deux rotors. Ce modèle aérodynamique interagit avec des modèles mécaniques, électro-mécaniques et de poids de composants afin de décrire le comportement de chaque technologie. Les modèles sont couplés avec une stratégie de pilotage pour fournir les valeurs de performance des éoliennes ainsi modélisées. Pour trouver les instances de chaque technologie d'éolienne en vue d'une comparaison, des algorithmes d'optimisation mono-objectif (PSO) ou multi-objectifs non pondérés (NSGA-II) ont été utilisés. Les modèles ont été validés par comparaison avec des données issues de la littérature et de logiciels spécialisés (Qblade et HELICIEL) et la comparaison entre les technologies a été menée sur un cas d'étude comprenant une distribution statistique de vent spécifique.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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